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JP4077509B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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JP4077509B2 JP2007543644A JP2007543644A JP4077509B2 JP 4077509 B2 JP4077509 B2 JP 4077509B2 JP 2007543644 A JP2007543644 A JP 2007543644A JP 2007543644 A JP2007543644 A JP 2007543644A JP 4077509 B2 JP4077509 B2 JP 4077509B2
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Description

本発明は、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に関する。  The present invention relates to a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte.

固体高分子電解質を用いた燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに使用される。固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。  Fuel cells using solid polymer electrolytes are used in portable power supplies, electric vehicle power supplies, home cogeneration systems, and the like. A fuel cell using a solid polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.

固体高分子電解質を用いた燃料電池は、基本的には水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極を含む。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、および触媒層の外側に形成され通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を含む。  A fuel cell using a solid polymer electrolyte basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane. The electrode includes a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and a gas diffusion layer formed outside the catalyst layer and having both air permeability and electronic conductivity.

供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、二種のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲に高分子電解質を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。シール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化して予め組み立てられる。この組み立て体を、MEA(電解質膜電極接合体)と称する。  A gas seal material and a gasket are arranged around the electrode so that the supplied fuel gas and oxidant gas do not leak to the outside or the two kinds of gases are mixed with each other. The sealing material and the gasket are assembled in advance by being integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This assembly is referred to as MEA (electrolyte membrane electrode assembly).

MEAの両面には、MEAを機械的に保持するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータのMEAとの接触部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るための流路が形成される。流路は、セパレータと別に設けられてもよいが、セパレータの表面に設けられた溝を流路とするのが一般的である。さらに、MEAと一対のセパレータから構成される電池セルの複数を積層して、MEA同士を互いに電気的に直列に接続することにより電圧を高めて、電池スタックとして実用化することが一般的である。  Conductive separators for mechanically holding the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed on both surfaces of the MEAs. At the contact portion of the separator with the MEA, a flow path is formed for supplying reaction gas to the electrode surface and carrying away generated water and surplus gas. The flow path may be provided separately from the separator, but a groove provided on the surface of the separator is generally used as the flow path. Further, it is common to stack a plurality of battery cells composed of MEA and a pair of separators, and connect the MEAs electrically in series with each other to increase the voltage and put it into practical use as a battery stack. .

MEAと一対のセパレータを組合せて電池セルを作製するとき、MEAの電極面とセパレータの流路面に位置ずれが生じると、有効な反応面積が小さくなり、所定の電圧が得られない。また複数の電池セルを積層するときに、MEAとセパレータの位置ずれの発生を防止するためには、電池セルを構成するMEAと一対のセパレータとが一体になっていることが好ましい。  When a battery cell is manufactured by combining an MEA and a pair of separators, if a displacement occurs between the electrode surface of the MEA and the flow path surface of the separator, an effective reaction area is reduced, and a predetermined voltage cannot be obtained. In addition, when stacking a plurality of battery cells, it is preferable that the MEA constituting the battery cell and the pair of separators are integrated in order to prevent the MEA and the separator from being displaced.

このように、電池セルのMEAと一対のセパレータの位置を規制して一体化するために、MEAおよび一対のセパレータの反応面以外の場所に設けられた貫通穴に、位置決めピンを貫通させ、貫通された位置決めピンを止め輪部品で止めて、ピンの抜けを防止する提案がされている(特許文献1を参照)。
また、MEAと一対のセパレータの外周端部を、クリップ状の部品で挟み込んで一体化する提案や(特許文献2参照)、セパレータに形成された樹脂製の吸盤にMEAを挟み込んで他方のセパレータと一体化する提案(特許文献3参照)などがなされている。
特開2000−012067号公報 特開2004−241208号公報 特開2005−142000号公報
Thus, in order to regulate and integrate the position of the MEA of the battery cell and the pair of separators, the positioning pin is passed through the through hole provided in a place other than the reaction surface of the MEA and the pair of separators. A proposal has been made to prevent the pin from coming off by stopping the positioning pin with a retaining ring component (see Patent Document 1).
Also, a proposal to sandwich the MEA and the outer peripheral end of the pair of separators with a clip-shaped component (see Patent Document 2), and the other separator with the MEA sandwiched between resin suction cups formed on the separator Proposals for integration (see Patent Document 3) have been made.
JP 2000-012067 A JP 2004-241208 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-142000

前述の通り、従来は位置決めピンなどの締結部品やクリップなどを用いて、MEAと一対のセパレータの位置を規制していたので、必要な部品点数が増大して製作コストが上がり、組み立て作業が複雑になって製作リードタイムが長期化するという問題があった。  As described above, conventionally, the position of the MEA and the pair of separators is regulated by using fastening parts such as positioning pins and clips, etc., so that the number of necessary parts increases, the manufacturing cost increases, and the assembly work is complicated. There was a problem that the production lead time was prolonged.

また、位置決めピンなどを用いる場合は、止め輪などで固定する必要があるので、セパレータのある程度の厚みが必要とされる。さらに、締結部品による固定は圧力による負荷がかかるので、やはりセパレータのある程度の厚みが必要とされる。そのため、一般的に小型化が求められる燃料電池には適用しにくい。  Further, when a positioning pin or the like is used, it needs to be fixed with a retaining ring or the like, so that a certain thickness of the separator is required. Furthermore, since the fixing by the fastening parts is loaded by pressure, a certain thickness of the separator is still required. Therefore, it is difficult to apply to a fuel cell that is generally required to be downsized.

さらに、位置決めピンを用いて固定する場合は、ピンの大きさに対して、ある程度の余裕をもってピンが挿入される孔の大きさを設定する必要があるため、位置ずれが完全には解消できないことがあった。  Furthermore, when fixing using positioning pins, it is necessary to set the size of the hole into which the pin is inserted with a certain margin relative to the size of the pin. was there.

そこで本発明は、位置規制するための専用部品を用いることなく、MEAと一対のセパレータとを一体化して、位置規制する手段を提供することを目的とする。それにより、電池セルを積層するときにも位置ずれが抑制されるので、安定した電圧を発揮できる固体高分子型燃料電池が、簡便な工程で作製される。  Accordingly, an object of the present invention is to provide a means for regulating the position by integrating the MEA and the pair of separators without using a dedicated component for regulating the position. As a result, positional deviation is suppressed even when the battery cells are stacked, so that a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting a stable voltage is produced in a simple process.

また積層された二以上の電池セルを含む燃料電池スタックにおいて、電池セル同士の位置ずれがあると、隣接するセパレータ同士の接触面積が低下し、接触抵抗の増大により所定の電圧が得られない。そこで本発明は、固定するための専用部品を用いることなく、電池セル同士の位置を規制し、さらに燃料電池スタックを一体とする手段を提供することを目的とする。  Further, in a fuel cell stack including two or more stacked battery cells, if there is a positional shift between battery cells, the contact area between adjacent separators decreases, and a predetermined voltage cannot be obtained due to an increase in contact resistance. Therefore, an object of the present invention is to provide means for regulating the positions of the battery cells and integrating the fuel cell stack without using a dedicated component for fixing.

本発明の第一は、以下に示される固体高分子型燃料電池の燃料電池セルに関する。
[1]ガス流路口が形成された枠体、前記枠体の内部に配置された高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、および前記ガス流路口と電極を囲うシール材が一体で形成された枠体一体型MEA;前記一対の電極のうちの一方に燃料ガスを供給排出する流路を有するセパレータ;前記一対の電極のうちの他方に酸化剤ガスを供給排出する流路を有するセパレータを含む固体高分子型燃料電池セルであって、
前記枠体は、その両面に先端が鍵状の複数の突起を有し、かつ前記一対のセパレータはそれぞれ、複数の段差部位を有し、
前記枠体の突起と、前記一対のセパレータの段差部位とが係止して一体化された燃料電池セル。
[2]前記突起は、前記ガス流路口の近傍にある、[1]に記載の燃料電池セル。
[3]前記突起の先端の鍵状部は、枠体の内側に向いている、[1]に記載の燃料電池セル。
[4]前記燃料電池セルの一対のセパレータの流路を流れる燃料ガスの圧力と酸化剤ガスとの圧力は同一でなく、
より高い圧力のガスが流れるセパレータ側の枠体の面に形成された、前記先端が鍵状の複数の突起は、より低い圧力のガスが流れるセパレータ側の枠体の面に形成された、前記先端が鍵状の複数の突起よりも、枠の内側に配置される、[1]に記載の燃料電池セル。
The first of the present invention relates to a fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell shown below.
[1] A frame in which a gas channel opening is formed, a polymer electrolyte membrane disposed inside the frame, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a sealing material surrounding the gas channel opening and the electrode Frame-integrated MEA formed integrally; separator having a flow path for supplying and discharging fuel gas to one of the pair of electrodes; flow path for supplying and discharging oxidant gas to the other of the pair of electrodes A polymer electrolyte fuel cell comprising a separator having
The frame body has a plurality of key-like protrusions on both sides thereof, and the pair of separators each have a plurality of step portions,
A fuel battery cell in which the protrusions of the frame and the stepped portions of the pair of separators are engaged and integrated.
[2] The fuel cell according to [1], wherein the protrusion is in the vicinity of the gas flow path port.
[3] The fuel cell according to [1], wherein the key-shaped portion at the tip of the protrusion is directed to the inside of the frame.
[4] The pressure of the fuel gas flowing through the flow path of the pair of separators of the fuel cell and the pressure of the oxidant gas are not the same,
The plurality of protrusions each having a key shape at the tip formed on the surface of the separator-side frame through which higher pressure gas flows, are formed on the surface of the separator-side frame through which lower pressure gas flows. The fuel cell according to [1], wherein the tip is disposed inside the frame rather than the plurality of key-shaped protrusions.

本発明の第二は、積層された二位以上の燃料電池セルを含む固体高分子型燃料電池スタックに関する。
[5]互いに積層された二以上の燃料電池セルを含む固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、ガス流路口が形成された枠体、前記枠体の内部に配置された高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、および前記ガス流路口と電極を囲うシール材が一体で形成された枠体一体型MEA;前記一対の電極のうちの一方に燃料ガスを供給排出する流路を有するセパレータ;前記一対の電極のうちの他方に酸化剤ガスを供給排出する流路を有するセパレータを含み、かつ
前記枠体は、その両面に先端が鍵状の複数の突起を有し、前記セパレータは、複数の段差部位を有し、
前記枠体の突起と、前記一対のセパレータの段差部位とが係止して一体化された燃料電池セルである、燃料電池スタック。
[6]前記燃料電池スタックは、互いに隣接して積層された燃料電池セルAおよび燃料電池セルBを含み、
前記燃料電池セルAおよび燃料電池セルBの枠体は、先端が鍵状の複数の第二突起を有し、かつ前記燃料電池セルBのセパレータは複数の第二段差部位を有し、
前記燃料電池セルAの枠体の第二突起と、前記燃料電池セルBのセパレータの第二段差部位とが係止して一体化された、[5]に記載の燃料電池スタック。
[7]前記燃料電池スタックは、互いに隣接して積層された燃料電池セルAおよび燃料電池セルBを含み、
前記燃料電池セルAおよび燃料電池セルBの枠体は、複数の第二突起と複数の切り欠きを交互に有し、
前記燃料電池セルAの第二突起と切り欠きが、前記燃料電池セルBの第二突起と切り欠きとかみ合っている、[5]に記載の燃料電池スタック。
The second of the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack including two or more stacked fuel cells.
[5] A polymer electrolyte fuel cell stack including two or more fuel cells stacked on each other,
Each of the fuel cells includes a frame body in which a gas flow path port is formed, a polymer electrolyte membrane disposed inside the frame body, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the gas flow path port and the electrode A frame-integrated MEA formed integrally with a sealing material that surrounds the separator; a separator having a flow path for supplying and discharging fuel gas to one of the pair of electrodes; and an oxidant gas for the other of the pair of electrodes Including a separator having a flow path for supply and discharge, and the frame body has a plurality of key-shaped protrusions on both sides thereof, and the separator has a plurality of step portions.
A fuel cell stack, which is a fuel cell unit in which the protrusions of the frame and the stepped portions of the pair of separators are engaged and integrated.
[6] The fuel cell stack includes a fuel cell A and a fuel cell B stacked adjacent to each other,
The frame of the fuel cell A and the fuel cell B has a plurality of second protrusions whose ends are key-shaped, and the separator of the fuel cell B has a plurality of second step portions,
The fuel cell stack according to [5], wherein the second protrusion of the frame of the fuel cell A and the second step portion of the separator of the fuel cell B are engaged and integrated.
[7] The fuel cell stack includes a fuel cell A and a fuel cell B stacked adjacent to each other,
The fuel cell A and the frame of the fuel cell B have a plurality of second protrusions and a plurality of notches alternately,
The fuel cell stack according to [5], wherein the second protrusion and the notch of the fuel cell A mesh with the second protrusion of the fuel cell B.

本発明の燃料電池セルは、電池セルを構成するMEAと一対のセパレータが位置規制された状態で一体化されているので、安定した電圧を発生させる。しかも本発明の燃料電池セルは専用部品を用いることなく簡便に作製されうるので、本発明により安価で高性能な固体高分子型燃料電池が提供される。  Since the fuel cell of the present invention is integrated in a state where the position of the MEA and the pair of separators constituting the battery cell is regulated, a stable voltage is generated. Moreover, since the fuel battery cell of the present invention can be easily produced without using dedicated parts, the present invention provides an inexpensive and high-performance solid polymer fuel cell.

実施の形態1に係る燃料電池セルの分解斜視図である。枠体一体型MEA、ならびにアノード側セパレータ、およびカソード側セパレータが示される。1 is an exploded perspective view of a fuel battery cell according to Embodiment 1. FIG. A frame-integrated MEA, an anode-side separator, and a cathode-side separator are shown. 実施の形態1に係る燃料電池セルが組み立てられたときの、枠体の突起と、セパレータの段差付穴の付近の拡大断面図である。突起の鍵状部が外側を向いている。It is an expanded sectional view of the vicinity of the projection of the frame and the stepped hole of the separator when the fuel battery cell according to Embodiment 1 is assembled. The key part of the protrusion faces outward. 実施の形態1に係る燃料電池セルが組み立てられたときの、枠体の突起と、セパレータの段差付穴の付近の拡大断面図である。突起の鍵状部が内側を向いている。It is an expanded sectional view of the vicinity of the projection of the frame and the stepped hole of the separator when the fuel battery cell according to Embodiment 1 is assembled. The key-shaped part of the protrusion faces inward. 実施の形態2に係る燃料電池セルが組み立てられたときの、枠体の突起やピン状突起、およびセパレータの段差付穴や位置決め穴の付近の部分詳細断面斜視図である。FIG. 6 is a partial detailed cross-sectional perspective view of the vicinity of the protrusions and pin-like protrusions of the frame and the stepped holes and positioning holes of the separator when the fuel battery cell according to Embodiment 2 is assembled. 実施の形態3に係る燃料電池セルが組み立てられたときの、枠体の突起と、セパレータの段差付近の部分詳細断面斜視図である。FIG. 6 is a partial detailed cross-sectional perspective view of the protrusion of the frame and the vicinity of the step of the separator when the fuel battery cell according to Embodiment 3 is assembled. 実施の形態4に係る燃料電池セルの分解斜視図である。枠体一体型MEA、ならびにアノード側セパレータ、およびカソード側セパレータが示される。6 is an exploded perspective view of a fuel battery cell according to Embodiment 4. FIG. A frame-integrated MEA, an anode-side separator, and a cathode-side separator are shown. 実施の形態5に係る燃料電池スタックの、2つの電池セルが積層された状態を示す断面斜視図である。互いの電池セルが一体化されている。FIG. 9 is a cross-sectional perspective view showing a state where two battery cells of a fuel cell stack according to Embodiment 5 are stacked. Mutual battery cells are integrated. 実施の形態6に係る燃料電池スタックの、2つの電池セルが積層された状態を示す断面斜視図である。互いの電池セルが一体化されるとともに、突起同士がかみ合って位置規制されている。FIG. 10 is a cross-sectional perspective view showing a state in which two battery cells of a fuel cell stack according to Embodiment 6 are stacked. The battery cells are integrated with each other, and the protrusions engage with each other to regulate the position. 実施の形態7に係る燃料電池スタックの断面斜視図である。集電板とガス供給排出マニホールドからなる端部ユニットが、電池セルの積層体に一体化されている。12 is a cross-sectional perspective view of a fuel cell stack according to Embodiment 7. FIG. An end unit composed of a current collector plate and a gas supply / discharge manifold is integrated with the battery cell stack. 比較例1の高分子電解質型燃料電池の分解斜視図である。枠体一体型MEA、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、および端部モジュール,締結用ボルト,ナットが示される。2 is an exploded perspective view of a polymer electrolyte fuel cell of Comparative Example 1. FIG. A frame-integrated MEA, an anode side separator, a cathode side separator, an end module, a fastening bolt, and a nut are shown. 実施例1で作製した枠体一体型MEAの枠体の突起と、セパレータの段差の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the processus | protrusion of the frame of the frame integrated MEA produced in Example 1, and the level | step difference of a separator.

1.本発明の燃料電池セルについて
本発明の燃料電池セルは、枠体一体型MEAおよび一対のセパレータを含み、それらが一体化されていることを特徴とする。詳細は後述するが、枠体一体型MEAの枠体に設けられた突起の鍵状の先端部と、セパレータに設けられた段差部位とが係止することによって、枠体一体型MEAとセパレータが一体化する。
1. About the fuel cell of the present invention The fuel cell of the present invention includes a frame-integrated MEA and a pair of separators, which are integrated. Although details will be described later, the frame-integrated MEA and the separator are separated by locking the key-shaped tip of the protrusion provided on the frame of the frame-integrated MEA and the stepped portion provided on the separator. Integrate.

枠体一体型MEAについて
枠体一体型MEAは、ガス流路口を含む枠体、枠体内部に配置された高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟む一対の電極、およびガス流路口と電極を囲うシール材を含み、それらが一体成形されている。
About the frame-integrated MEA The frame-integrated MEA includes a frame including a gas flow path port, a polymer electrolyte membrane disposed inside the frame, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a gas flow path port and an electrode. Enclosed seals are included and are integrally molded.

枠体の枠部位には、ガス流路口が形成されている。ガス流路口を流れるガスには、燃料ガスと酸化剤ガスが含まれ、それぞれのガスのための別個の流路口が形成される。また枠体の枠部位には、冷却液が流れる流路口が形成されていてもよい。  A gas flow path port is formed in the frame portion of the frame. The gas flowing through the gas flow path port includes fuel gas and oxidant gas, and separate flow path ports for the respective gases are formed. Further, a flow path port through which the coolant flows may be formed in the frame portion of the frame.

枠体の材質は、耐薬品性が高く、溶出が少ないオレフィン系樹脂であることが好ましく、オレフィン系樹脂の例にはポリプロピレンやポリエチレンなどが含まれる。溶出を抑えて電池の寿命を延ばすためである。さらに枠体の材質は、耐熱性の高さも求められる。燃料電池の使用環境は、例えば約60〜80℃だからである。したがって、枠体の材質はポリプロピレンがより好ましい。  The material of the frame is preferably an olefin resin having high chemical resistance and little elution. Examples of the olefin resin include polypropylene and polyethylene. This is to suppress elution and extend the life of the battery. Further, the material of the frame body is required to have high heat resistance. This is because the operating environment of the fuel cell is, for example, about 60 to 80 ° C. Therefore, the material of the frame is more preferably polypropylene.

高分子電解質膜は、水素イオンは通すが、電子は通さない薄いフィルム状の膜であればよく特に限定されない。一般的には、フッ素樹脂系の高分子膜が用いられる。  The polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is a thin film-like membrane that allows hydrogen ions to pass but does not allow electrons to pass. Generally, a fluororesin polymer film is used.

一対の電極は、酸化剤が供給される酸素極(カソードともいう)と、燃料ガスが供給される燃料極(アノードともいう)とからなる。各電極は、特に制限されないが、白金などの触媒を担持したカーボンなどであればよい。  The pair of electrodes includes an oxygen electrode (also referred to as a cathode) to which an oxidant is supplied and a fuel electrode (also referred to as an anode) to which fuel gas is supplied. Each electrode is not particularly limited, and may be carbon or the like carrying a catalyst such as platinum.

シール材とは、ガス流路口や電極を流れるガスが外部にもれたり、外部のガスがガス流路口や電極に入り込んだりすることを防止する部材である。シール材の材質は、通常はゴムなどである。  The sealing material is a member that prevents the gas flowing through the gas flow path opening and the electrode from leaking to the outside and the outside gas from entering the gas flow path opening and the electrode. The material of the sealing material is usually rubber.

さらに枠体一体型MEAの枠体の枠部位には、先端が鍵状の突起が形成されていることを特徴とする。「先端が鍵状になっている」とは「先端に引っかき爪がある」ことを含む。突起は、枠の片面または両面(アノード面とカソード面)にあってもよいが、好ましくは両面にある。突起の数は2以上であればよく、特に限定されない。枠体の枠部位に形成された突起の先端の鍵状部は、セパレータの段差部位(後述)の段差に係合することができる。  Further, the frame portion of the frame body of the frame body-integrated MEA is characterized in that a protrusion having a key shape at the tip is formed. “The tip is key-like” includes “there is a scratching claw at the tip”. The protrusions may be on one or both sides (the anode surface and the cathode surface) of the frame, but are preferably on both sides. The number of protrusions may be two or more, and is not particularly limited. The key-like portion at the tip of the protrusion formed at the frame portion of the frame can be engaged with the step at the step portion (described later) of the separator.

突起の高さは、通常はセパレータの厚さよりも小さくする。セパレータが薄い場合には、枠体の突起がセパレータから突出することがある。そのような燃料電池セルを積層して電池スタックとする場合には、隣接する電池セルのセパレータに、一の電池セルのセパレータからはみ出した突起をかわすための「かわし穴」を設ければよい。  The height of the protrusion is usually smaller than the thickness of the separator. When the separator is thin, the projection of the frame body may protrude from the separator. In the case of stacking such fuel cells to form a battery stack, it is only necessary to provide a “drilling hole” in the separator of an adjacent battery cell for dosing a protrusion protruding from the separator of one battery cell.

突起の先端の鍵状部(つまり「引っかき爪」)は、図9に示されるように、爪の高さY1を、突起の高さのうち引っかき爪までの高さY2の、約1/5とすることが好ましい。  As shown in FIG. 9, the key-like portion at the tip of the protrusion (that is, “scratching claw”) is about 1/5 of the height Y1 of the nail to the scratching nail of the height of the protrusion. It is preferable that

突起の位置は、ガス流路口の近傍にあることが好ましい。また、突起の先端の鍵状部は、近接するシール材の方向に向いていることが好ましく、通常は枠体の枠内部に向いていることが好ましい。シール材による密閉効果を高めるためである。  The position of the protrusion is preferably in the vicinity of the gas channel opening. Moreover, it is preferable that the key-shaped part at the tip of the protrusion is directed in the direction of the adjacent sealing material, and it is generally preferable that the key-shaped part is directed toward the inside of the frame. This is to enhance the sealing effect of the sealing material.

また突起は、枠体の枠の内部(例えば外周部付近)に配置されているか(図1の突起9参照)、枠体の枠の外周の縁(図3の突起9参照)に配置されていてもよい。
さらに突起は、枠体の枠の外周の縁の一部だけに配置されていてもよい。例えば図4に示すように四角形の枠体であれば、枠体の4辺のうちの2辺だけに突起9(先端が鍵状の突起)を設けてもよい。残りの2辺に位置決め用の高剛性のストッパーを配置すれば、枠体一体型MEAに、セパレータをより確実に固定することができる(詳細は、図4を参照して後述する)。
The protrusions are arranged inside the frame of the frame (for example, near the outer periphery) (see the protrusion 9 in FIG. 1), or are arranged at the outer edge of the frame of the frame (see the protrusion 9 in FIG. 3). May be.
Furthermore, the protrusions may be arranged only on a part of the outer periphery of the frame of the frame. For example, as shown in FIG. 4, in the case of a rectangular frame, projections 9 (protrusions having a key-like tip) may be provided on only two of the four sides of the frame. If a highly rigid stopper for positioning is arranged on the remaining two sides, the separator can be more reliably fixed to the frame-integrated MEA (details will be described later with reference to FIG. 4).

前述の通り突起は、枠体の片面または両面に配置される。両面に配置する場合は、突起の位置を互いにずらしてもよい。突起の位置をずらす場合には、流路に流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスのうち、圧力が高いガスが流れる面側に設けられる突起を、よりシール材に近づける(通常は枠のより内側に配置する)ことが好ましい。シール材による密閉効果を高めるためである。  As described above, the protrusions are arranged on one side or both sides of the frame. When arrange | positioning on both surfaces, you may shift the position of a protrusion mutually. When shifting the position of the protrusion, the protrusion provided on the surface where the high-pressure gas flows out of the fuel gas and oxidant gas flowing in the flow path is brought closer to the sealing material (usually placed inside the frame) Is preferable. This is to enhance the sealing effect of the sealing material.

さらに枠体一体型MEAの枠体の枠部位には、ピン状の位置決め突起(鍵状の先端部を有しない)が形成されていてもよい。ピン状の位置決め突起は、セパレータに設けた位置決め穴(後述)に挿入される。  Furthermore, pin-shaped positioning protrusions (not having a key-shaped tip) may be formed on the frame portion of the frame of the frame-integrated MEA. The pin-shaped positioning projection is inserted into a positioning hole (described later) provided in the separator.

セパレータについて
本発明の電池セルに含まれる一対のセパレータのうち、一方のセパレータには燃料ガスが流れる溝が形成されており、その溝を介して燃料ガスが燃料極に供給されたり、燃料極から排出されたりする。本発明の電池セルに含まれる一対のセパレータのうち、もう一方のセパレータには酸化剤ガスが流れる溝が形成されており、当該溝を介して酸化剤ガスが空気極に供給されたり、空気極から排出されたりする。
About the separator Of the pair of separators included in the battery cell of the present invention, one of the separators is formed with a groove through which the fuel gas flows, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode through the groove or from the fuel electrode. It is discharged. Of the pair of separators included in the battery cell of the present invention, the other separator has a groove through which the oxidant gas flows, and the oxidant gas is supplied to the air electrode through the groove, or the air electrode. It is discharged from.

セパレータは、導電性物質で形成されていればよく、通常はカーボン材料で形成されるが、プレスされた金属板などであってもよい。プレスされた金属板をセパレータとして使う場合には、段差部位(後述)をねじって形成してもよい。  The separator is only required to be formed of a conductive material, and is usually formed of a carbon material, but may be a pressed metal plate or the like. When a pressed metal plate is used as a separator, a step portion (described later) may be twisted.

セパレータの厚さは、2〜3mm程度であるが、さらに薄くすることもできる。  The thickness of the separator is about 2 to 3 mm, but can be further reduced.

セパレータには、前記枠体の突起の先端の鍵状部が係止するための段差部位が設けられている。段差部位は、セパレータのガス流路のための溝が形成された面と反対の面に形成されている。
枠体の枠内部に突起が形成されている場合には、セパレータの段差部位は「段差付穴(図1の段差付穴10を参照)」とすればよく;枠体の枠の縁に突起が形成されている場合には、セパレータの段差部位は「縁に設けられた段差(図3の段差15を参照)」とすればよい。
The separator is provided with a stepped portion for locking the key-like portion at the tip of the projection of the frame. The step portion is formed on the surface opposite to the surface on which the groove for the gas flow path of the separator is formed.
When the protrusion is formed inside the frame of the frame, the stepped portion of the separator may be a “stepped hole (see stepped hole 10 in FIG. 1)”; the protrusion on the edge of the frame of the frame Is formed, the step portion of the separator may be “a step provided at the edge (see step 15 in FIG. 3)”.

またセパレータには、枠体がピン状の位置決め突起を有している場合には、位置決め穴が形成されている(図2の位置決め穴14を参照)。枠体のピン状の位置決め突起が、セパレータの位置決め穴に挿入することによって、MEAとセパレータの位置規定が、より正確になる。  The separator is formed with a positioning hole when the frame has a pin-shaped positioning projection (see the positioning hole 14 in FIG. 2). By inserting the pin-shaped positioning protrusions of the frame into the positioning holes of the separator, the position definition of the MEA and the separator becomes more accurate.

本発明の電池セルは、前述の枠体一体型MEAと、一対のセパレータを用意して;一対のセパレータに枠体一体型MEAを挟んで積層させ;積層方向に押圧することによって、枠体の突起がセパレータの段差部位と係合して一体化される。このとき、枠体にピン状突起があり、セパレータに位置決め穴があれば、ピン状突起が位置決め穴に挿入される。  The battery cell of the present invention is prepared by preparing the frame-integrated MEA and a pair of separators; stacking the frame-integrated MEA between the pair of separators; The protrusion is integrated with the stepped portion of the separator. At this time, if the frame has a pin-shaped protrusion and the separator has a positioning hole, the pin-shaped protrusion is inserted into the positioning hole.

このように本発明の電池セルは、枠体一体型MEAの枠に設けた突起を用いてセパレータと一体化しているため、一体化のための特別な部材を準備する必要もなく、一体化のための作業が極めて簡便である。さらに、一対のセパレータに挟まれた枠体の突起を中心に位置決めを行うため、セパレータと枠体のMEAとの位置決めがより正確になりうる。  As described above, since the battery cell of the present invention is integrated with the separator using the protrusion provided on the frame of the frame-integrated MEA, it is not necessary to prepare a special member for integration, and the integrated The operation for this is very simple. Furthermore, since the positioning is performed around the projection of the frame sandwiched between the pair of separators, the positioning of the separator and the MEA of the frame can be more accurate.

2.本発明の燃料電池スタックについて
本発明の燃料電池スタックは、積層された複数の本発明の燃料電池セルを含むことを特徴とする。前述の通り本発明の燃料電池セルは、枠体一体型MEAと一対のセパレータとが一体化されて位置が規制されているので、燃料電池セルを積層するときに、一の電池セルにおいて枠体一体型MEAと一対のセパレータとの位置がずれることがない。
2. About the fuel cell stack according to the present invention The fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of stacked fuel cell units according to the present invention. As described above, since the position of the fuel cell unit according to the present invention is regulated by integrating the frame-integrated MEA and the pair of separators, when the fuel cell units are stacked, the frame unit of one battery cell The positions of the integrated MEA and the pair of separators do not shift.

さらに本発明の燃料電池スタックは、積層された複数の燃料電池セル同士が一体化されていてもよい。そこで本発明の燃料電池スタックの、互いに隣接する燃料電池セル(電池セルAおよび電池セルBとする)の枠体は、先端が鍵状の複数の第二突起を有し、かつセパレータは複数の第二段差部位を有していてもよい。  Further, in the fuel cell stack of the present invention, a plurality of stacked fuel cells may be integrated. Therefore, the fuel cell stack of the present invention, the frame of fuel cells adjacent to each other (referred to as battery cell A and battery cell B) has a plurality of key-like second protrusions, and the separator has a plurality of separators. You may have a 2nd level | step difference site | part.

燃料電池セルAの枠体の第二突起と、燃料電池セルBのセパレータの第二段差部位とが係止することができる。よって複数の電池セルを積層して積層方向に押圧すれば、燃料電池セルAの枠体の第二突起が、燃料電池セルBのセパレータの第二段差部位にかみ合うことによって、一体化された燃料電池スタックが提供される(図5参照)。  The second protrusion of the frame of the fuel cell A and the second step portion of the separator of the fuel cell B can be locked. Therefore, if a plurality of battery cells are stacked and pressed in the stacking direction, the second protrusion of the frame of the fuel battery cell A meshes with the second step portion of the separator of the fuel battery cell B, thereby integrating the fuel. A battery stack is provided (see FIG. 5).

また、電池セルを積層するときに、一の電池セルにおける枠体一体型MEAと一対のセパレータとの位置ずれが抑制されても、電池セル同士の位置ずれが生じることがある。電池セル同士の位置ずれが発生すると、隣接する電池セルのセパレータ同士の接触面積が低下するため、接触抵抗の増大により所定の電圧が得られないという問題が発生することがある。  Further, when stacking battery cells, even if the positional deviation between the frame-integrated MEA and the pair of separators in one battery cell is suppressed, the positional deviation between the battery cells may occur. When the positional deviation between the battery cells occurs, the contact area between the separators of the adjacent battery cells decreases, so that there is a problem that a predetermined voltage cannot be obtained due to an increase in contact resistance.

そこで本発明の燃料電池スタックの、互いに隣接する燃料電池セル(電池セルAおよび電池セルBとする)は、電池セルAの枠体に、積層方向の第二突起と切欠きを交互に有し;電池セルBの枠体に、電池セルAの枠体の第二突起と切欠きにかみ合う、切欠きと第二突起を交互に有していてもよい。ここで第二突起の先端は鍵状にされていてもよい。
それにより複数の電池セルを、隣接する電池セルの第二突起と切欠きを勘合させることにより、複数の電池セルを、位置ずれを起こすことなく積層することができる(図6参照)。
In view of this, in the fuel cell stack of the present invention, adjacent fuel cells (referred to as battery cell A and battery cell B) alternately have second protrusions and notches in the stacking direction on the frame of battery cell A. The frame of the battery cell B may alternately have notches and second protrusions that engage with the second protrusions and notches of the frame of the battery cell A. Here, the tip of the second protrusion may be keyed.
Thereby, a plurality of battery cells can be stacked without causing positional displacement by fitting the second protrusions of the adjacent battery cells with the notches (see FIG. 6).

本発明の燃料電池スタックは、積層された複数の本発明の燃料電池セル(積層体)の両端に配置された端部ユニットを含んでいてもよい。
端部ユニットは、一体に組み立てられた集電板、および樹脂製のガス供給排出マニホールドを含む。予め組み立てられた端部ユニットを、積層体にはめ込んで燃料電池スタックとすることが好ましい。
例えば、端部ユニットのガス供給排出マニホールドに、段差付の切欠きと、突起を交互に形成し;積層体の最も外層の電池セルの枠体に、段差付の切欠きと、突起を交互に形成すれば、端部ユニットを積層体にはめ込んで一体化することができる(図7参照)。
The fuel cell stack of the present invention may include end units disposed at both ends of a plurality of stacked fuel battery cells (stacked body) of the present invention.
The end unit includes a current collecting plate and a gas supply / discharge manifold made of resin. It is preferable that the end unit assembled in advance is fitted into the laminate to form a fuel cell stack.
For example, stepped notches and protrusions are alternately formed on the gas supply / discharge manifold of the end unit; notches and protrusions are alternately formed on the frame of the outermost battery cell of the laminate. If formed, the end unit can be integrated into the laminate (see FIG. 7).

以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
[実施の形態1]
図1Aは、実施の形態1の電池セルを、カソード電極側から見た分解斜視図である。枠体一体型MEA1;アノード側セパレータ11;カソード側セパレータ12が示される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
1A is an exploded perspective view of the battery cell of Embodiment 1 as viewed from the cathode electrode side. A frame-integrated MEA1; an anode-side separator 11; and a cathode-side separator 12 are shown.

枠体一体型MEA1は、枠体3と、枠体3の枠内部に配置されたMEA2とを含む。
MEA2のサイズは、縦150mm;横150mm程度にする。MEA2の周囲に枠体3が配置される。枠体3の外形のサイズは、縦220mm;横220mm程度にする。枠体3の材質はポリプロピレンなどの樹脂である。枠体3は、MEA2をインサート品としてインサート成形により作製されうる。
The frame-integrated MEA 1 includes a frame 3 and an MEA 2 disposed inside the frame 3.
The size of the MEA 2 is about 150 mm long; about 150 mm wide. A frame 3 is disposed around the MEA 2. The size of the outer shape of the frame 3 is about 220 mm in length and 220 mm in width. The material of the frame 3 is a resin such as polypropylene. The frame 3 can be produced by insert molding using the MEA 2 as an insert.

また枠体3には、フッ素ゴムを2色成形することによりシール4が形成されている。
カソード面のシール4は、カソード側電極とカソード側ガス流路口5の周囲を囲い、ガスの漏れを防いでいる。ただしカソード面のシール4は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給排出するガス流路口5とカソード側電極とを連絡する部分6には設けられない。
A seal 4 is formed on the frame 3 by molding two colors of fluoro rubber.
The cathode surface seal 4 surrounds the cathode side electrode and the cathode side gas passage port 5 to prevent gas leakage. However, the cathode surface seal 4 is not provided in the portion 6 that connects the cathode side electrode with the gas flow path port 5 for supplying and discharging the oxidant gas to the cathode side electrode.

同様に、アノード面のシールは、アノード側電極とアノード側ガス流路口7の周囲を囲い、ガスの漏れを防いでいる。ただしアノード面のシールは、アノード側電極に燃料ガスを供給排出するガス流路口7とアノード側電極とを連絡する部分には設けられない。  Similarly, the seal on the anode surface surrounds the periphery of the anode side electrode and the anode side gas flow path port 7 to prevent gas leakage. However, the seal on the anode surface is not provided at a portion where the gas flow passage port 7 for supplying and discharging the fuel gas to and from the anode side electrode and the anode side electrode are connected.

冷却水の流路口8の開口部の周囲を取り巻くようにシールを形成して、冷却水の外部へのもれを防ぐ。  A seal is formed so as to surround the periphery of the opening of the cooling water flow path port 8 to prevent leakage of the cooling water to the outside.

さらに枠体3には、先端が鍵状の4つの突起9(9−1〜9−4)が一体成形されている。突起9は、ガス流路口(5または7)の近傍に設けられることが好ましい。  Further, four protrusions 9 (9-1 to 9-4) whose ends are key-like are integrally formed on the frame 3. The protrusion 9 is preferably provided in the vicinity of the gas flow path port (5 or 7).

アノード側セパレータ11には、溝11−1が設けられ、溝11−1には燃料ガスが流される。同様にカソード側セパレータ12にも溝が設けられており、当該溝には酸化剤ガスが流される。  The anode-side separator 11 is provided with a groove 11-1, and the fuel gas flows through the groove 11-1. Similarly, the cathode separator 12 is also provided with a groove, and an oxidant gas is allowed to flow through the groove.

セパレータ11および12には、段差付きの穴10(10−1〜10−4)が設けられている。段差付きの穴10の位置は、枠体に形成された突起9の位置と対応しており、かつ穴10の形状も、突起9が挿入できる形状とされている。  The separators 11 and 12 are provided with stepped holes 10 (10-1 to 10-4). The position of the stepped hole 10 corresponds to the position of the protrusion 9 formed on the frame, and the shape of the hole 10 is also a shape into which the protrusion 9 can be inserted.

枠体一体型MEA1を挟んで、アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ12を積層して積層方向に押圧すると、先端が鍵状の突起9が段差付の穴10にはまり込み、三者(枠体一体型MEA1、セパレータ11およびセパレータ12)が一体となって電池セルが形成される。一体となった電池セルの、突起9と段差付の穴10の状態の部分拡大図が、図1Bおよび図1Cに示される。図1Bおよび図1Cに示されたように、枠体3の突起9の先端の鍵状部が、セパレータ11および12の段差付の穴10の段差と係止して一体化している。突起9の先端の鍵状部が枠の外側を向いていてもよいが(図1B)、枠の内側を向いている(図1C)と、シール材4の効果を高めうる。  When the anode-side separator 11 and the cathode-side separator 12 are stacked and pressed in the stacking direction with the frame-integrated MEA 1 in between, the key-shaped protrusion 9 at the tip fits into the stepped hole 10, and the three (frame body) The unitary MEA 1, the separator 11 and the separator 12) are integrated to form a battery cell. FIGS. 1B and 1C show partially enlarged views of the battery cell in the state of the protrusion 9 and the stepped hole 10. As shown in FIGS. 1B and 1C, the key-like portion at the tip of the protrusion 9 of the frame 3 is locked and integrated with the step of the stepped hole 10 of the separators 11 and 12. The key-like portion at the tip of the protrusion 9 may face the outside of the frame (FIG. 1B), but if it faces the inside of the frame (FIG. 1C), the effect of the sealing material 4 can be enhanced.

[実施の形態2]
図2は、実施の形態2の電池セル(組み立て後)の部分詳細断面斜視図である。実施の形態2の電池セルの基本的な構造は、実施の形態1の電池セルと同様であるので、同一の部材の説明を省略する。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a partial detailed cross-sectional perspective view of the battery cell (after assembly) of the second embodiment. Since the basic structure of the battery cell of Embodiment 2 is the same as that of the battery cell of Embodiment 1, description of the same member is abbreviate | omitted.

枠体一体型MEA1の枠体3には、実施の形態1と同様の先端が鍵状の突起9が設けられ、さらに位置決め用のピン状突起13が一体成形されている。また、セパレータ11および12には、実施の形態1と同様の段差付きの穴10が設けられ、さらにピン状突起13と相対する位置に、位置決め穴14が設けられている。  The frame 3 of the frame-integrated MEA 1 is provided with a key-like protrusion 9 having the same tip as in the first embodiment, and a pin-shaped protrusion 13 for positioning is integrally formed. The separators 11 and 12 are provided with a stepped hole 10 similar to that of the first embodiment, and further, a positioning hole 14 is provided at a position facing the pin-like protrusion 13.

突起9と段差付きの穴10が係止するとともに、ピン状突起13が位置決め穴14にはまり込むので、より正確な位置にMEAとセパレータが固定された電池セルが形成される。突起9の先端の鍵状部の向きは、図2では外側を向いているが、内側を向いていてもよい。  Since the protrusion 9 and the stepped hole 10 are locked, and the pin-shaped protrusion 13 fits into the positioning hole 14, a battery cell in which the MEA and the separator are fixed at a more accurate position is formed. The direction of the key-shaped portion at the tip of the protrusion 9 is directed outward in FIG. 2, but may be directed inward.

[実施の形態3]
図3は、実施の形態3の電池セル(組み立て後)の部分詳細断面斜視図である。実施の形態3の電池セルの基本的な構造は、実施の形態1の電池セルと同様であるので、同一の部材の説明を省略する。
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a partial detailed cross-sectional perspective view of the battery cell (after assembly) of the third embodiment. Since the basic structure of the battery cell of Embodiment 3 is the same as that of the battery cell of Embodiment 1, description of the same members is omitted.

実施の形態3の突起9は、実施の形態1の突起9とは異なり、枠体一体型MEA1の枠体3の外周の縁に設けられている。また、実施の形態3のセパレータ11および12には、突出部9と相対するように外周に段差15が設けられており、実施の形態1の段差付穴は設けられていない。  Unlike the protrusion 9 according to the first embodiment, the protrusion 9 according to the third embodiment is provided on the outer peripheral edge of the frame 3 of the frame-integrated MEA 1. Further, the separators 11 and 12 of the third embodiment are provided with a step 15 on the outer periphery so as to face the protruding portion 9, and the stepped holes of the first embodiment are not provided.

枠体3の縁に形成された突起部9が、セパレータ11および12の段差15に係止することにより一体となり、電池セルが形成される。枠体3は一般的に樹脂製である。よって、外周全体が樹脂で覆われた電池セルが提供される。枠体を断熱性の高い部材として熱効率を高めれば、電池セルで発生した熱を逃がしにくくなるので、熱の再利用がしやすい。また、セパレータ部材を塞ぐことにより、電気ショートを防ぐこともできる。  The protrusion 9 formed at the edge of the frame 3 is united by engaging with the step 15 of the separators 11 and 12 to form a battery cell. The frame 3 is generally made of resin. Therefore, a battery cell in which the entire outer periphery is covered with resin is provided. If the frame body is made of a highly heat-insulating member and the thermal efficiency is increased, it becomes difficult to release the heat generated in the battery cells, so that the heat can be easily reused. Moreover, an electrical short-circuit can be prevented by closing the separator member.

[実施の形態4]
図4は、実施の形態4の電池セルのカソード電極側から見た分解斜視図である。
枠体一体型MEA1の枠体3(正四角形をしている)の外周のうちの二辺3−Aには、先端が鍵状の突起9が連続的に複数個配置される。突起9は比較的、低剛性の材質を用いて作製されることが好ましい。
一方、残りの二辺3−Bには、高剛性の突起16(コの字型の断面を有する)が設けられる。突起16は、積層方向と直交する方向にスライドされたセパレータを受け止めて保持する。
[Embodiment 4]
FIG. 4 is an exploded perspective view of the battery cell according to Embodiment 4 as viewed from the cathode electrode side.
A plurality of protrusions 9 each having a key-like tip are continuously arranged on the two sides 3-A of the outer periphery of the frame 3 (which is a regular square) of the frame-integrated MEA 1. It is preferable that the protrusion 9 is made of a material having a relatively low rigidity.
On the other hand, the remaining two sides 3-B are provided with a highly rigid protrusion 16 (having a U-shaped cross section). The protrusion 16 receives and holds the separator slid in the direction orthogonal to the stacking direction.

一方、セパレータ11およびセパレータ12の外周の縁には段差15が設けられており、枠体の突起9や突起16の先端が係止するようにされている。  On the other hand, a step 15 is provided on the outer peripheral edges of the separator 11 and the separator 12 so that the tips of the projections 9 and 16 of the frame body are locked.

積層して電池セルを組み立てるには、1)セパレータ11およびセパレータ12を、枠体3の高剛性の突起16付近に押し当てて位置を固定し、さらに2)積層方向に押圧することによって、低剛性の突起9を弾性変形させて先端の鍵状部をセパレータ11および12の段差15に誘いこみ、はめ込めばよい。それにより、枠体一体型MEA1の枠体3と、一対のセパレータ11および12が一体となり、電池セルが形成される。  To assemble battery cells by stacking, 1) press the separator 11 and the separator 12 near the high-rigid protrusion 16 of the frame 3 to fix the position, and 2) press in the stacking direction. The rigid protrusion 9 is elastically deformed, and the key-like portion at the tip is drawn into the step 15 of the separators 11 and 12 and inserted. As a result, the frame 3 of the frame-integrated MEA 1 and the pair of separators 11 and 12 are integrated to form a battery cell.

[実施の形態5]
図5は、電池セル同士を積層させた燃料電池スタックの断面斜視図である。図5には、2つの電池セル(電池セルAと電池セルB)が積層されている。電池セルAには、枠体一体型MEAの枠体3Aと、一対のセパレータ11Aおよび12Aが含まれ;電池セルBには、枠体一体型MEAの枠体3Bと、一対のセパレータ11Bおよび12Bが含まれる。
[Embodiment 5]
FIG. 5 is a cross-sectional perspective view of a fuel cell stack in which battery cells are stacked. In FIG. 5, two battery cells (battery cell A and battery cell B) are stacked. Battery cell A includes a frame body integrated MEA frame body 3A and a pair of separators 11A and 12A; battery cell B includes a frame body integrated MEA frame body 3B and a pair of separators 11B and 12B. Is included.

電池セルそれぞれの枠体一体型MEAの枠体3(3Aおよび3B)の両面に、一体成形された先端が鍵状の突起9(9Aおよび9B)と、さらに枠体3の縁には突起17(17Aおよび17B)が設けられる。突起17の先端も鍵状にされているが、突起17の鍵状部は、突起9の鍵状部よりも枠体3から遠くに配置される。さらに、枠体3のそれぞれにはピン状突起13(13Aおよび13B)が設けられる。  On both sides of the frame body 3 (3A and 3B) of the frame body-integrated MEA of each battery cell, the integrally formed tip 9 has a key-like protrusion 9 (9A and 9B), and a protrusion 17 on the edge of the frame body 3 (17A and 17B) are provided. The tip of the projection 17 is also key-shaped, but the key-shaped portion of the projection 17 is arranged farther from the frame body 3 than the key-shaped portion of the projection 9. Further, each of the frame bodies 3 is provided with pin-like protrusions 13 (13A and 13B).

一方、セパレータ11(11Aおよび11B)またはセパレータ12(12Aおよび12B)には段差付穴10(10Aおよび10B)、および位置決め穴14(14Aおよび14B)が設けられる。さらに、セパレータ11の外周の縁には、段差18(18Aおよび18B)が設けられている。  On the other hand, the separator 11 (11A and 11B) or the separator 12 (12A and 12B) is provided with a stepped hole 10 (10A and 10B) and a positioning hole 14 (14A and 14B). Further, a step 18 (18A and 18B) is provided on the outer peripheral edge of the separator 11.

枠体3の突起9はセパレータの段差付穴10に挿入されて、突起9の鍵状部が段差付穴10の段差と係止する。一方、枠体3のピン状突起13はセパレータの位置決め穴14に挿入される。
さらに図5に示される燃料電池スタックは、電池セルAの枠体3Aの突起17Aの鍵状部が、隣接する電池セルBのセパレータ11Bの縁の段差18Bと係止する。したがって、互いに複数の電池セルが一体化された燃料電池スタックが得られる。
The protrusion 9 of the frame 3 is inserted into the stepped hole 10 of the separator, and the key-like portion of the protrusion 9 is locked with the step of the stepped hole 10. On the other hand, the pin-like protrusions 13 of the frame 3 are inserted into the positioning holes 14 of the separator.
Further, in the fuel cell stack shown in FIG. 5, the key-like portion of the protrusion 17A of the frame 3A of the battery cell A is engaged with the step 18B at the edge of the separator 11B of the adjacent battery cell B. Therefore, a fuel cell stack in which a plurality of battery cells are integrated with each other is obtained.

[実施の形態6]
図6は、電池セル同士を積層させた燃料電池スタックの断面斜視図である。図6に示された燃料電池スタックは、図5に示された燃料電池スタックと基本的構造は同じであるので、同一の部材の説明を省略する。
[Embodiment 6]
FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of a fuel cell stack in which battery cells are stacked. Since the basic structure of the fuel cell stack shown in FIG. 6 is the same as that of the fuel cell stack shown in FIG. 5, the description of the same members is omitted.

図6には、2つの電池セル(電池セルAと電池セルB)が積層されている。
電池セルそれぞれの枠体一体型MEAの枠体3(3Aおよび3B)の両面に、一体成形された先端が鍵状の突起9(9Aおよび9B)と、さらに枠体3の縁には突起17(17Aおよび17B)が設けられる。突起17の先端も鍵状にされているが、突起17の鍵状部は、突起9の鍵状部よりも枠体3から遠くに配置される。突起17は枠体の両面から突出しており、かつ裏と表で交互に配置されている。
さらに、枠体3のそれぞれにはピン状突起13(13Aおよび13B)が設けられる。
In FIG. 6, two battery cells (battery cell A and battery cell B) are stacked.
On both sides of the frame body 3 (3A and 3B) of the frame body-integrated MEA of each battery cell, the integrally formed tip 9 has a key-like protrusion 9 (9A and 9B), and a protrusion 17 on the edge of the frame body 3 (17A and 17B) are provided. The tip of the projection 17 is also key-shaped, but the key-shaped portion of the projection 17 is arranged farther from the frame body 3 than the key-shaped portion of the projection 9. The protrusions 17 protrude from both sides of the frame, and are alternately arranged on the back and the front.
Further, each of the frame bodies 3 is provided with pin-like protrusions 13 (13A and 13B).

一方、セパレータ11(11Aおよび11B)またはセパレータ12(12Aおよび12B)には、段差付穴10(10Aおよび10B)、および位置決め穴14(14Aおよび14B)が設けられる。さらに、セパレータ11(11Aおよび11B)には、外周の縁に段差18(18Aおよび18B)が設けられている。  On the other hand, the separator 11 (11A and 11B) or the separator 12 (12A and 12B) is provided with a stepped hole 10 (10A and 10B) and a positioning hole 14 (14A and 14B). Further, the separator 11 (11A and 11B) is provided with a step 18 (18A and 18B) at the outer peripheral edge.

枠体3の突起9はセパレータの段差付穴10に挿入されて、突起9の鍵状部が段差付穴10の段差と係止する。一方、枠体3のピン状突起13はセパレータの位置決め穴14に挿入される。
図6に示される燃料電池スタックは、電池セルAの枠体3Aの突起17Aが、電池セルBの枠体3Bの突起17Bとかみ合うことによって、電池セル同士の位置決めが行なわれる。さらに、図6の燃料電池スタックは、図5の燃料電池スタックと同様に、電池セルAの枠体3Aの突起17Aの鍵状部が、隣接する電池セルBのセパレータ11Bの縁の段差18Bと係止する。したがって、互いに位置決めがされた複数の電池セルが一体化される。
The protrusion 9 of the frame 3 is inserted into the stepped hole 10 of the separator, and the key-like portion of the protrusion 9 is locked with the step of the stepped hole 10. On the other hand, the pin-like protrusions 13 of the frame 3 are inserted into the positioning holes 14 of the separator.
In the fuel cell stack shown in FIG. 6, the battery cells A are positioned by engaging the protrusions 17 </ b> A of the frame 3 </ b> A of the battery cell A with the protrusions 17 </ b> B of the frame 3 </ b> B of the battery cell B. Furthermore, the fuel cell stack of FIG. 6 is similar to the fuel cell stack of FIG. 5 in that the key-like portion of the protrusion 17A of the frame 3A of the battery cell A is different from the step 18B at the edge of the separator 11B of the adjacent battery cell B. Lock. Therefore, a plurality of battery cells positioned with respect to each other are integrated.

[実施の形態7]
図7は、燃料電池スタック(組み立て後)の斜視図である。図7に示された燃料電池スタックは、積層された2つの電池セル(電池セルAと電池セルB)と、端部モジュールを含む。積層された2つの電池セル(電池セルAと電池セルB)は、図6に示された電池スタックと同様であるので、説明を省略する。
[Embodiment 7]
FIG. 7 is a perspective view of the fuel cell stack (after assembly). The fuel cell stack shown in FIG. 7 includes two battery cells (battery cell A and battery cell B) stacked and an end module. The two stacked battery cells (battery cell A and battery cell B) are the same as the battery stack shown in FIG.

端部モジュールは、ガス供給排出マニホールド20と集電板21を含む。ガス供給排出マニホールド20は、各電池セルに燃料ガスや酸化剤ガスや冷却水などの流体を供給・排出する配管部20−1が一体に成形されている。燃料電池から集電板21を介して電流を外部に取り出すことができる。  The end module includes a gas supply / discharge manifold 20 and a current collecting plate 21. The gas supply / discharge manifold 20 is integrally formed with a pipe portion 20-1 for supplying and discharging a fluid such as fuel gas, oxidant gas, and cooling water to each battery cell. A current can be taken out from the fuel cell through the current collector 21.

端部モジュールは、ガス供給排出マニホールド20に設けられた先端が鍵状の突起22と、集電板21に設けられた段差23が係止することで一体化される。  The end module is integrated by engaging a protrusion 22 with a key-like tip provided on the gas supply / discharge manifold 20 and a step 23 provided on the current collector 21.

その後、積層された複数の電池セルからなる一体化された電池セル(電池セルAおよび電池セルB)群の、電池セルBの枠体3Bの突起17Bの先端の鍵状部と、集電板21に設けられた段差25とを係止させることで、端部モジュールと電池セル群とを燃料電池スタックとして一体化させることができる。  Thereafter, a key-like portion at the tip of the projection 17B of the frame 3B of the battery cell B of the group of integrated battery cells (battery cell A and battery cell B) composed of a plurality of stacked battery cells, and a current collector plate The end module and the battery cell group can be integrated as a fuel cell stack by locking the level difference 25 provided in 21.

以下に、実施例を参照して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例によって限定して解釈されない。
[実施例1]
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約30Åの白金粒子を、25重量%担持してカソード触媒を得た。またアセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒度約30Åの白金−ルテニウム合金粒子を、25重量%担持してアノード触媒を得た。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the scope of the present invention is not construed as being limited by the examples.
[Example 1]
A cathode catalyst was obtained by supporting 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 on the acetylene black carbon powder. Further, 25% by weight of platinum-ruthenium alloy particles having an average particle size of about 30 mm were supported on the acetylene black carbon powder to obtain an anode catalyst.

カソード触媒またはアノード触媒を、イソプロピ−ルアルコールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液と混合してペースト状にした。これらのペーストを、厚さ250μmのカーボン不織布の一方の面に、スクリーン印刷法を用いて塗工して触媒層を形成した。得られた各々の電極の触媒層に含まれる触媒金属含量は0.3mg/cm;パーフルオロスルホン酸含量は1.2mg/cmであった。
カソード電極とアノード電極は、触媒材料以外は同一構造とした。
The cathode catalyst or anode catalyst was dispersed in isopropyl alcohol and mixed with an ethyl alcohol dispersion of perfluorocarbon sulfonic acid powder to form a paste. These pastes were applied to one side of a 250 μm thick carbon nonwoven fabric using a screen printing method to form a catalyst layer. The catalyst metal content contained in the catalyst layer of the obtained each electrode is 0.3 mg / cm 2; perfluorosulfonic acid content was 1.2 mg / cm 2.
The cathode electrode and the anode electrode have the same structure except for the catalyst material.

パーフルオロスルホン酸系ポリマーを30μmの厚さに薄膜化した膜であって、得られた電極よりもひとまわり大きい面積を有する高分子電解質膜を準備した。  A polymer electrolyte membrane having a perfluorosulfonic acid polymer thinned to a thickness of 30 μm and having a larger area than the obtained electrode was prepared.

得られた電極のそれぞれを、前記高分子電解質膜の両面の中心部においた。所定の大きさを切り抜いたフッ素系ゴムシート(厚さ:250μm)を、高分子電解質膜の両面の電極外周部に露出している部位に配置した。ホットプレスによって接合一体化させ、MEAを作製した。  Each of the obtained electrodes was placed at the center of both surfaces of the polymer electrolyte membrane. A fluorine-based rubber sheet (thickness: 250 μm) cut out to a predetermined size was placed on the exposed portion of the outer periphery of the electrodes on both sides of the polymer electrolyte membrane. The MEA was produced by bonding and integration by hot pressing.

実施の形態1で説明した構造の枠体一体型MEAと、セパレータを準備した。
枠体一体型MEAの枠体(ポリプロピレン製)には、先端が鍵状の突起を一体成形した。枠体の4辺の中央に一つずつ、合計4つの先端が鍵状の突起を配置した。セパレータ(カーボン材料製:厚さ3mm)には枠体の突起と相対する位置に、対応する大きさの段差付の穴を設けた。図9に、枠体の各突起と、セパレータの段差の具体的構造を示した。図9に示される突起の奥行きは5.0mmである。
A frame-integrated MEA having the structure described in the first embodiment and a separator were prepared.
A frame-shaped MEA frame (made of polypropylene) was integrally molded with a key-shaped protrusion at the tip. A total of four key-shaped protrusions were arranged, one at the center of the four sides of the frame. The separator (made of carbon material: thickness 3 mm) was provided with a stepped hole of a corresponding size at a position facing the projection of the frame. FIG. 9 shows a specific structure of each protrusion of the frame and the step of the separator. The depth of the protrusion shown in FIG. 9 is 5.0 mm.

枠体一体型MEAを、アノード側セパレータとカソード側セパレータに挟みこんだ状態で、積層方向に押圧した。その結果、枠体の突起の先端の鍵状部が、各セパレータの段差付の穴にはめ込まれて段差に係止することで、一体化された電池セルを得た。  The frame-integrated MEA was pressed in the stacking direction while being sandwiched between the anode-side separator and the cathode-side separator. As a result, the key-like portion at the tip of the projection of the frame was fitted into the stepped hole of each separator and locked to the step, thereby obtaining an integrated battery cell.

得られた電池セルの50セルを積層して積層体を得た。得られた積層体を、表面に金メッキを施した銅板からなる集電板で挟み、さらにそれをポリフェニレンサルファイド製の絶縁板で挟み、さらにステンレス製の端板で挟む。両端板を締結ロッドで締結して電池スタックを得た。このとき、締結圧は電極の単位面積あたり100N/cmとした。得られた燃料電池スタックの発電評価を実施した。50 cells of the obtained battery cells were laminated to obtain a laminate. The obtained laminate is sandwiched between current collector plates made of a copper plate with gold plating on the surface, further sandwiched between insulating plates made of polyphenylene sulfide, and further sandwiched between end plates made of stainless steel. Both end plates were fastened with fastening rods to obtain a battery stack. At this time, the fastening pressure was 100 N / cm 2 per unit area of the electrode. The power generation evaluation of the obtained fuel cell stack was performed.

[比較例1]
図8は、比較例1の燃料電池の斜視図である。枠体一体型MEA1’;アノード側セパレータ11’;カソード側セパレータ12’;および端部モジュール(集電板30,絶縁板31,配管付外端板32を含む)が示される。
[Comparative Example 1]
FIG. 8 is a perspective view of the fuel cell of Comparative Example 1. FIG. A frame-integrated MEA 1 ′; an anode side separator 11 ′; a cathode side separator 12 ′; and an end module (including a current collecting plate 30, an insulating plate 31, and an outer end plate 32 with piping) are shown.

枠体一体型MEA1’;アノード側セパレータ11’;カソード側セパレータ12’を、外形を目安に積層した後、位置決めピン35で固定して電池セルを作製した。このようにして作製した電池セルの複数と、集電板30、絶縁板31、配管付外端板32を積層した後、ボルト33とナット34で締結した。  A frame-integrated MEA 1 ′; an anode-side separator 11 ′; and a cathode-side separator 12 ′ were stacked with reference to the outer shape, and then fixed with positioning pins 35 to produce battery cells. A plurality of the battery cells thus manufactured, the current collecting plate 30, the insulating plate 31, and the outer end plate 32 with piping were laminated, and then fastened with bolts 33 and nuts 34.

実施例1の燃料電池スタックと、比較例1の燃料電池スタックの発電性能は、ほぼ同等であった。そして実施例1の場合は、比較例1の場合と比べて電池セルの組み立て作業時間を約3分の1に短縮できた。さらに、位置決めピンや締結用のボルト・ナット、外端板を用いることなく構成したので、製作コストを約10%削減することができた。  The power generation performance of the fuel cell stack of Example 1 and the fuel cell stack of Comparative Example 1 were almost the same. In the case of Example 1, as compared with the case of Comparative Example 1, the assembly work time of the battery cell could be shortened to about one third. Furthermore, since it is configured without using positioning pins, fastening bolts / nuts, and outer end plates, the manufacturing cost can be reduced by about 10%.

本発明の高分子電解質型燃料電池の電池セルは、それを構成するMEAと一対のセパレータが位置規制された状態で一体化されているので、安定した電圧を発揮することができる。さらに、MEAと一対のセパレータを一体化するための締結専用部品を必要としないので、製作工程が簡便で安価な高分子電解質型燃料電池を提供することができる。  Since the battery cell of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is integrated in a state where the position of the MEA and the pair of separators constituting the battery cell are regulated, a stable voltage can be exhibited. Furthermore, since a fastening exclusive part for integrating the MEA and the pair of separators is not required, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that is simple in manufacturing process and inexpensive.

本出願は、2006年4月21日出願の出願番号JP2006−117590に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願に援用される。  This application claims priority based on application number JP 2006-117590 filed on April 21, 2006. The contents described in the application specification and the drawings are all incorporated herein.

Claims (7)

ガス流路口が形成された枠体、前記枠体の内部に配置された高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、および前記ガス流路口と電極を囲うシール材が一体で形成された枠体一体型MEA;前記一対の電極のうちの一方に燃料ガスを供給排出する流路を有するセパレータ;前記一対の電極のうちの他方に酸化剤ガスを供給排出する流路を有するセパレータを含む固体高分子型燃料電池セルであって、
前記枠体は、その両面に先端が鍵状の複数の突起を有し、かつ前記一対のセパレータはそれぞれ、複数の段差部位を有し、
前記枠体の突起と、前記一対のセパレータの段差部位とが係止して一体化された燃料電池セル。
A frame having a gas flow path port, a polymer electrolyte membrane disposed inside the frame, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a sealing material surrounding the gas flow path port and the electrode are integrally formed. Frame-integrated MEA; separator having a flow path for supplying and discharging fuel gas to one of the pair of electrodes; separator having a flow path for supplying and discharging oxidant gas to the other of the pair of electrodes A polymer electrolyte fuel cell comprising
The frame body has a plurality of key-like protrusions on both sides thereof, and the pair of separators each have a plurality of step portions,
A fuel battery cell in which the protrusions of the frame and the stepped portions of the pair of separators are engaged and integrated.
前記突起は、前記ガス流路口の近傍にある、請求項1に記載の燃料電池セル。  The fuel cell according to claim 1, wherein the protrusion is in the vicinity of the gas flow path port. 前記突起の先端の鍵状部は、枠体の内側に向いている、請求項1に記載の燃料電池セル。  2. The fuel cell according to claim 1, wherein the key-shaped portion at the tip of the protrusion faces the inside of the frame. 前記燃料電池セルの一対のセパレータの流路を流れる燃料ガスの圧力と酸化剤ガスとの圧力は同一でなく、
より高い圧力のガスが流れるセパレータ側の枠体の面に形成された、前記先端が鍵状の複数の突起は、より低い圧力のガスが流れるセパレータ側の枠体の面に形成された、前記先端が鍵状の複数の突起よりも、枠の内側に配置される、請求項1に記載の燃料電池セル。
The pressure of the fuel gas flowing through the flow path of the pair of separators of the fuel cell and the pressure of the oxidant gas are not the same,
The plurality of protrusions each having a key shape at the tip formed on the surface of the separator-side frame through which higher pressure gas flows, are formed on the surface of the separator-side frame through which lower pressure gas flows. The fuel cell according to claim 1, wherein the tip is disposed inside the frame rather than the plurality of key-shaped protrusions.
互いに積層された二以上の燃料電池セルを含む固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルのそれぞれは、ガス流路口が形成された枠体、前記枠体の内部に配置された高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、および前記ガス流路口と電極を囲うシール材が一体で形成された枠体一体型MEA;前記一対の電極のうちの一方に燃料ガスを供給排出する流路を有するセパレータ;前記一対の電極のうちの他方に酸化剤ガスを供給排出する流路を有するセパレータを含み、かつ
前記枠体は、その両面に先端が鍵状の複数の突起を有し、前記セパレータは、複数の段差部位を有し、
前記枠体の突起と、前記一対のセパレータの段差部位とが係止して一体化された燃料電池セルである、燃料電池スタック。
A polymer electrolyte fuel cell stack including two or more fuel cells stacked on each other,
Each of the fuel cells includes a frame body in which a gas flow path port is formed, a polymer electrolyte membrane disposed inside the frame body, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the gas flow path port and the electrode A frame-integrated MEA formed integrally with a sealing material that surrounds the separator; a separator having a flow path for supplying and discharging fuel gas to one of the pair of electrodes; and an oxidant gas for the other of the pair of electrodes Including a separator having a flow path for supply and discharge, and the frame body has a plurality of key-shaped protrusions on both sides thereof, and the separator has a plurality of step portions.
A fuel cell stack, which is a fuel cell unit in which the protrusions of the frame and the stepped portions of the pair of separators are engaged and integrated.
前記燃料電池スタックは、互いに隣接して積層された燃料電池セルAおよび燃料電池セルBを含み、
前記燃料電池セルAおよび燃料電池セルBの枠体は、先端が鍵状の複数の第二突起を有し、かつ前記燃料電池セルBのセパレータは複数の第二段差部位を有し、
前記燃料電池セルAの枠体の第二突起と、前記燃料電池セルBのセパレータの第二段差部位とが係止して一体化された、請求項5に記載の燃料電池スタック。
The fuel cell stack includes a fuel cell A and a fuel cell B stacked adjacent to each other,
The frame of the fuel cell A and the fuel cell B has a plurality of second protrusions whose ends are key-shaped, and the separator of the fuel cell B has a plurality of second step portions,
The fuel cell stack according to claim 5, wherein the second protrusion of the frame of the fuel cell A and the second step portion of the separator of the fuel cell B are engaged and integrated.
前記燃料電池スタックは、互いに隣接して積層された燃料電池セルAおよび燃料電池セルBを含み、
前記燃料電池セルAおよび燃料電池セルBの枠体は、複数の第二突起と複数の切り欠きを交互に有し、
前記燃料電池セルAの第二突起と切り欠きが、前記燃料電池セルBの第二突起と切り欠きとかみ合っている、請求項5に記載の燃料電池スタック。
The fuel cell stack includes a fuel cell A and a fuel cell B stacked adjacent to each other,
The fuel cell A and the frame of the fuel cell B have a plurality of second protrusions and a plurality of notches alternately,
The fuel cell stack according to claim 5, wherein the second protrusion and the notch of the fuel battery cell A mesh with the second protrusion of the fuel battery cell B.
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